基于NUC972灭菌设备电子存储器的设计

张照伟，刘洪波，贾荣华

（1.济南正平自动化设备有限公司，山东济南，250101；2.济南升平软件有限公司，山东济南，250101）

0 引言

常规灭菌器的过程数据根据法规要求需要进行记录并存档，而且可以被追溯。当前大部分灭菌器是使用打印机将灭菌过程数据打印出来；或者通过数据线将数据传送至电脑存储在电脑上。如果只使用打印机时，当灭菌器运行过程中出现打印机故障或卡纸的情况，打印记录不完整，导致数据无法存档，后续无法对该灭菌流程进行追溯。而采用数据传输的方式费用比较高，灭菌器需要预留单独的网口或其他接口，用于灭菌器与电脑的连接，而且电脑上需要安装一套专用的软件，用于采集、读取和解析数据，比较复杂且成本高。

为了解决灭菌设备在运行程序过程中打印机卡纸或打印机故障导致的数据丢失问题，同时降低数据传输至电脑方案的费用，而设计了一款能将控制器发出的数据进行传输和储存的电子存储器。该电子存储器运行精简的LINUX操作系统，稳定可靠，可输出PDF文档。存储器采用的MCU型号是NUC972，该芯片是ARM926EJ-S 核心，片内堆叠64MB DDR-II内存，LQFP128封装[1]。芯片特性决定不需要使用外扩的SDRAM，电路板层数可以减少至四层，电路板面积也可以大幅减少，从而降低存储器的硬件成本。

1 电子存储器设计方案论述

1.1 储存器的主要功能

电子存储器的主要功能是接收来自PLC控制器发送给打印机的数据，将接收的数据存储在自身的FLASH中，同时转发给打印机。这样的连接方式可以在电子存储器或打印机有一个发生故障的时候，确保过程数据也能被保存下来。当自身FLASH的空间接近存满时，或者用户需要把数据存档到电脑时，可以使用SD卡或U盘接入存储器读取数据。数据存储方式使用了FLASH空间循环存储，在空间不满时，读取过的数据不会被删除。如果FLASH空间存满时，最先存储的数据会被删除。这样的存储方式，可以解决数据读取过程中出现问题或者读取到电脑后操作失误引起的数据丢失。

1.2 本方案的优点

电子存储器的设计方案很多，下面通过表格做对比说明，来展示本设计方案的优点，如表1所示。

表1 电子存储器设计优点

1.3 NUC972 芯片介绍

NUC97X采用ARM926EJ-S核心,执行速度高达300MHz，堆迭64MB或128MB DDR-II内存于同一封装提供128-pin和216-pin LQFP封装，这样可以大幅减少PCB尺寸和降低电磁干扰。丰富的周边功能包含：11组UART、以太网、SDIO / eMMC、NAND Flash 、CAN 2.0B、ISO-7816 介面、LCD 控制器和高速USB2.0 Host/Device等，可以满足客户对弹性设计的需求。NUC97X提供 AES、SHA与3DES加密引擎，并符合-40℃～85℃工业温度规格[1]。

该系列芯片主要应用在工业自动化控制、人机界面、物联网、机器人、充电站、可编程逻辑控制器 ( PLC )、远程终端单元 ( RTU )，闸道器和智能家居网关与路由器。特别是芯片内部堆叠64MB或128MB DDR-II内存，对于减低成本起到关键性作用。一是在运行精简OS的情况下，不用外部扩展DDR-II内存，减少硬件成本；二是电路板设计也不需要使用6层或8层板，简单的4层板足以满足设计要求，可节省生产加工成本[2]。

1.4 设计方案的拓扑结构图

从拓扑结构图可以看出,灭菌数据或控制数据通过①PLC控制器发送至②电子存储模块，电子存储模块由③电源进行供电，同时电源通过②电子存储内部电路给④打印机电源供电，灭菌数据经过分流后传送至⑤打印机通讯口，使打印机正常打印数据。同时灭菌数据在储存器上保存到内部FLASH中。当SD卡或U盘插入时，⑥优盘或⑦SD卡中会生成对应数据的PDF格式文档或其他格式文档。

图1 电子存储器拓扑结构图

2 硬件电路设计

电子存储器硬件电路设计主要包含：电源模块、主控制芯片、NAND FLASH接口、SD卡接口、U盘接口、RS232通讯接口和RS485通讯接口。电源模块包含+5V供电、+3.3V供电、+1.8V供电和+1.2V供电。由于芯片对不同的电压等级上电时序有严格的要求，所以设计电源模块时，要遵循+5V和+3.3V先供电，然后+1.8V和+1.2V才能供电。为了应对工业现场的强干扰情况，RS232和RS485必须具有防静电，防浪涌等干扰的措施。

2.1 电源模块设计

电源模块设计尤为重要。在一个产品中，电源是能量的来源。设备正常工作的最基本的保障。如图2所示，+5V电源通过U2产生稳压的VD33(3.3V)，VD33通过R5/R14分别控制U3/U4的EN使能位。只有VD33稳定之后。U3/U4才会使能而正常工作，产生VD12和VD18。分别给MCU的内核和SDRAM内存供电。这样就确保了上文说的供电时序。RS1/RS2/RS3使用0Ω电阻，来充当保险丝的作用，当后级电路短路或过流时，通过烧断0Ω电阻来进行保护。CT1 / CT2，CT3 / CT4，CT17 / CT18是滤波电容，使用大小电容组合的方式来稳压和滤除电压尖峰。

图2 电源模块设计

2.2 RS232和RS485接口设计

工业现场干扰严重，而且现场接线种类繁多。设计通信模块的时，一定要具有较强的抗干扰性和接错线的容错性。如图3所示，V6整流桥和V5/V7稳压管组成高压吸收网络，对通信中的高压干扰进行吸收，保护通信电路。利用V1/V2和V3/V4双路共阴极稳压管进行ESD保护。L2/L3/L4/L5磁珠用来抑制信号线上的高频噪声和尖峰干扰。R3/R4/R8/R9电阻用来限流，保护通信口免受大电流冲击[2]。通过使用有效地保护元器件，可以抵抗其他设备发出的干扰信号，保证通信的可靠性。

图3 RS232和RS485接口设计

2.3 USB/SD和NAND FLASH设计

电子存储器硬件电路设计的核心就是数据存储和数据导出电路。如图4所示，U16是NAND FLASH芯片，芯片可以选择三星公司生产的K9F2G08U0B或者华邦公司生产的W29N01HV。RG5电阻起到短路保护作用，CB21/CB22/CB23电容起到滤波作用。J2是USB接口。U13是增强的单通道电源开关芯片（ STMPS2161STR），可持续通过1000mA的电流，具有热保护、过流保护和短路保护功能。U15是USB 2.0接口专用的ESD保护芯片。SD2是SD卡接口。RG4同样是过流保护，CT9/CT10是电容滤波。R58和C13组成LC高通滤波器，在CLK时钟线可以很好的改善EMI。R52～R55/R60～R63的上拉电阻可以使信号更加稳定。

图4 USB/SD和NAND FLASH设计

3 软件设计

电子存储器由于使用Linux操作系统，所以软件的设计较为复杂。为了使数据存储做到安全可靠，数据存储的方式使用空间循环存储。有限的存储空间可以保存最长的时间数据。可以防止用户在拷贝的过程中数据丢失。

图5 软件处理流程图

电子存储器上电复位后，启动Linux系统及初始化；然后检测剩余空间是否少于设定阈值，根据用户设定的策略提示用户导出PDF文件或对早期文件自动删除。当接收到控制器发送的数据时，先进行数据缓存，然后解析数据。如果当前记录完整，则根据缓存数据生成PDF文件；如果需要生成趋势图，则根据缓存数据生成趋势图并插入到PDF文件中。然后将生产的PDF文档保存到内部的FLASH中。同时转发接收数据发送给打印机。当用户插入U盘或SD卡时，存储器将保存的数据拷贝到U盘或SD卡中。软件处理流程图如图5所示。

4 小结

综上所述，电子存储器使用了新型的ARM926EJ高性能处理器NUC972，高度整合多种外设到一个芯片上，大大降低成本，减小体积。实物图如图6所示，设计出来的电路板尺寸比较小，再配合铝合金型材外壳，使得该设备不仅外形优美，而且实用性强。存储器运行精简的Linux操作系统稳定性好、U盘识别率高和存储空间大[4]。该电子存储器经过实际的应用测试，具有数据采集存储可靠性高、数据处理速度快、成本低等优点。完全适用于高温灭菌设备的温度、压力、流量等方面的数据采集和存储。

图6 电子存储器实物图